【毕业学位论文】（Word原稿）转Bt基因玉米对节肢动物群落多样性的影响农业昆虫与害虫防治硕士论文

密级 : 论文编号： 中国农业科学院 学 位 论文 转 因玉米对节肢动物群落 多样性的影响 t of t on of - I - 摘 要 本文以转 虫蛋白基因抗虫玉米 (米 )材料，研究了 米对节肢动物群落多样性、对非靶标害虫亚群落、天敌亚群落的影响和对主要靶标害虫的控制作用，来评价其环境生态安全性。此外，还研究了 米籽粒对米蛾生长发育的影响。为明确 米对农田节肢 动物群落结构和多样性影响，深入开展转基因抗虫作物的生态安全性评价研究提供科学依据。主要结果如下： 1 通过直接观察法、吸虫器吸虫法和地面埋陷阱 3 种调查方法研究了 米对玉米田中节肢动物群落的影响，结果表明， 米田中节肢动物各功能团类群组成及其优势类群与对照基本相同。 米田中各功能团优势度和对照相比，大多没有显著差异。直接观察法结果显示 用吸虫器调查时 米田鳞翅目昆虫功能团优势度与对照田差异显著。 米田的节肢动物总个体数、物种丰富度、多样性指 数、均匀性指数和优势集中性指数和对照田间没有差异，各指数的时间动态和对照相比没有明显差异。除鳞翅目昆虫亚群落外， 米田与对照田节肢动物群落、捕食性天敌亚群落、寄生性天敌亚群落和中性昆虫亚群落相似程度高。可见， 米田节肢动物群落结构稳定， 米对其没有明显的负面影响。 2 米对玉米螟、棉铃虫和桃蛀螟等主要鳞翅目害虫的幼虫有很好的抗性，在田间 米的受害程度极显著低于对照。结果还表明， 米对玉米螟成虫没有驱避性，不影响产卵。 3 米田非靶标害虫亚群落类群组成与对照相似，各科类群 的优势度没有差异，整个亚群落的物种丰富度和总个体数没有明显差异。优势类群和该类群中优势种组成相同，优势度相近。表明 米对非靶标害虫亚群落没有明显的影响。 4 米同对照相比，对捕食性天敌昆虫类群组成、各类群优势度、捕食性昆虫的总量及总量的动态变化方面没有显著的影响；对主要的捕食性天敌昆虫种群组成及各种群优势度、优势种群组成和种群消长动态没有明显影响。 5 地面埋陷阱法调查 米对蜘蛛亚群落的影响结果表明， 米田中蜘蛛类群组成及优势种和对照没有明显差异。 米田中的蜘蛛物种丰富度、多样性指 数、均匀性指数、优势集中性指数以及种群消长动态和对照没有明显差异，且多样性指数和均匀性指数高，优势集中性指数低，说明 米田蜘蛛亚群落结构稳定。 6 用地面陷阱法监测地面爬行性节肢动物在 米田和对照田间的相互迁移行为，结果发现，始终有一定数量的地面爬行性节肢动物在 米和对照玉米田之间相互迁移，主要为捕食性天敌和非靶标害虫。各类群中优势种相同，相互迁移的种类和总个体数基本相同，在玉米各个生育期迁移的数量没有差异，表明地面爬行性节肢动物在 米生境和对照间选择时，没有明显的偏好性。 7 室内生测 结果表明， 米籽粒对米蛾的存活率、发育历期、性比、成虫体长有明显的影响。 定结果表明 米籽粒中的 虫蛋白含量较高，说明 米籽粒中所表达的 白对米蛾有很好的杀虫活性。 关键词： 米， 虫蛋白，节肢动物，群落结构，种群动态 - on to of t in 003 004, to of t In t on as 1. of t of t of by of by of as of t t to In t t no on 2. Bt to as (, t by Bt no on of 3. of of t to of no t 4. of of t No in t 5. by of t of as of to of t is to is 6. of in t by of as of t no in t In in t - 7. t t in of t by t is a Bt - 目 录 第一章 引 言 . 1 1 转基因作物的研究和应用现状 . 1 基因作物的发展 . 1 因玉米的发展 . 1 2 转基因作物对生物多样性的影响 . 3 基因抗 (耐 )除草剂作物 . 3 基因抗病作物 . 4 基因抗虫作物 . 4 3 害虫的抗性以及抗性的进化与治理 . 15 4 本项研究的意义 . 16 第二章 基本材料与方法 . 17 1 供试 玉米材料 . 17 2 试验地点与栽培管理 . 17 验地点 . 17 培管理 . 17 3 调查方法 . 17 接观察调查法 . 17 虫器调查法 . 17 面陷阱法 . 17 4 节肢动物分类和鉴定 . 18 5 功能团的划分 . 18 6 统计分析方法 . 20 第三章 米对玉米田节肢动物群落结构的影响 . 21 1 节肢动物功能团类群结构及组成 . 21 料与 方法 . 21 果与分析 . 21 2 节肢动物群落结构动态 . 31 料与方法 . 31 果与分析 . 31 3 节肢动物群落相似性 . 33 - V - 料与方法 . 33 果与分析 . 33 3 讨论 . 33 第四章 米对玉米田鳞翅目主要害虫的影响 . 40 1 材料与方法 . 40 接调查法 . 40 秆调查法 . 40 2 结果与分析 . 41 t 玉米对鳞翅目主要害虫的抗性 . 41 棉铃虫的影响 . 41 玉米螟的影响 . 41 桃蛀螟的影响 . 42 3 讨论 . 42 第五章 米对主要非靶标害虫的影响 . 45 1 材料与方法 . 45 2 结果与分析 . 45 非靶标害虫亚群落类群组成及其优势度的影响 . 45 优势类群的影响 . 47 3 讨论 . 51 第六章 米对田间主要捕食性昆虫的影响 . 53 1 材料与方法 . 53 2 结果与分析 . 53 t 玉米对田间天敌总量的影响 . 53 t 玉米对瓢虫科的影响 . 55 t 玉米对龟纹瓢虫的影响 . 56 t 玉米对异色瓢虫的影响 . 57 t 玉米对小花蝽的影响 . 59 3 讨论 . 60 第七章 米对蜘蛛亚群落的影响 . 64 1 材料与方法 . 64 2 结果与分析 . 64 蛛亚群落种群组成及其优势度 . 64 - 蛛亚群落的结构特征 . 67 要优势蜘蛛种群的时间动态 . 68 3 讨论 . 68 第八章 米对地面节肢动物生境选择性的影响 . 73 1 供试材料与实验方法 . 73 试材料 . 73 验设计和调查方法 . 73 2 结果与分析 . 73 2 主要种群的时间动态 . 76 3 讨论 . 76 第九章 米对仓储害虫米蛾的影响 . 81 1 试验材料与方法 . 81 米品种 . 81 头瓶 . 81 蛾卵 . 82 验方法 . 82 米籽粒中 虫蛋白含量的测定 . 82 2 统计方法 . 83 指标的计算 . 83 3 结果与分析 . 83 活率 . 83 比 . 83 育历期 . 84 虫体长 . 84 卵量 . 84 米籽粒中 白的含量 . 84 4 讨论 . 85 第十章 结 论 . 86 参考文献 . 88 致 谢 . 1033 作者简历 . 1044中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引 言 1 第一章 引 言 1 转基因作物的研究和应用现状 基因作物的发展 转基因作物的技术研究、应用推广及安全性评价已取得了举世瞩目的成就，具有重大的社会和经济效益。 1983 年首例转基因烟草问世， 1985 年人类首次试种 ， 1986 年首批转基因棉花批准进入田间试验， 1992 年中国成为世界上第一个转基因烟草商业化种植的国家， 1994 年美国第一个转基因植物产品 (番茄品种“ )批准上市， 1995 年耐除草剂的不育转基因油菜杂交种在加拿大获准大田推广， 1996 年耐草甘膦的转基因大豆种子在阿根廷 批准商业化生产。 从 1996 年 开始 转基因作物 大规模商业化种植， 总面积为 170 万 2004 年，全球转基因作物种植面积达到 8100 万 17 个主要国家种植转基因作物，美国作为发达的工业国家， 2004 年种植转基因作物降低成本 15 亿美元，增加效益 19 亿美元。世界上 5 个主要的种植转基因作物的发展中国家分别是中国、印度、巴西、阿根廷和南非（ 2005）。 因玉米的发展 米是全球商品化程度最快的抗虫转基因作物之一。 司在 1996 年开始以记转基因玉米并以商品名生产，这种转基因玉米只能控制第一代幼虫和第二代少部分幼虫，因此没有生产多长时间（ et 2003）。 2001 年在美国环境保护署重新注册的转 因玉米有 5 种（ ），商品化种植的 米主要是 000）。美国环保局（ 1995 年批准登记转 因玉米来，到 2003 年，美国先后批准 7种转 因玉米商业化种植，世界上种植转 因抗虫玉米的国家增加到 9 个 (表 在欧盟，转基因植物的释放在目前是很严格的，虽然已立法批准转基因植物的释放，但一直到 2002 年已登记的只有 10 种植物组合中有 3 种是玉米，分别为 国于 1997 年宣布准许农民种植 米 (et 2005)。我国政府于 1997 年正式批准美国 司的转 因抗虫玉米品系 河北省涿州进行中间试验， 1998 年批准该 米在我国的河南、山东、吉林、河北和辽宁玉米产区进行环境释放试验。 2000 年又批准了诺华的转 因玉米在我国进行环境释放。我国也在 蛋白基因的修饰与改造、表达载体的构建、植物组织化、抗虫植物的培育等方面作了大量工作。 中国农业大学培育的转基因抗虫玉米已获准 进行中试（ 农业部基因工程安全管理办公室 ， 1999）。 米的最重要的环境益处是减少杀虫剂的使用而有益于人类健康和生态问题，减少毒素的积累，减少杀虫剂的使用；而且靶标害虫范围窄，不会影响田间其它有益昆虫；另一个优点是提高产量(et 2003)。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引 言 2 表 国外目前已经批准商业化的转 虫玉米 t in 司 转育系 基因类型 批准国 家 批准年份 用于饲料 用于食品 种植 孟山都 国 1996 1996 1995 加拿大 1997 1997 1997 南非 1997 1997 1997 日本 1997 1997 1996 欧盟 1998 1998 1998 阿根廷 1998 1998 1998 瑞士 2000 2000 澳大利亚 2000 菲律宾 2003 先正达 176 国 1995 1995 1995 加拿大 1995 1996 1996 英国 1997 日本 1996 1996 1996 欧盟 1997 1997 1997 阿根廷 1998 1998 1996 瑞士 1998 1998 澳大利亚 2001 2001 先正达 国 1996 1996 1995 加拿大 1996 1996 1996 英国 1998 1998 日本 1996 1996 1996 欧盟 1998 1998 阿根廷 1998 1998 2001 瑞士 1998 1998 澳大利亚 2001 2001 迪卡 国 1997 1997 1997 加拿大 1997 1997 1997 阿根廷 1998 日本 1999 1999 安万特 国 1998 1998 杜邦 国 2001 2001 2001 日本 2002 2002 2002 孟山都 国 2001 2001 2003 加拿大 2003 2003 2003 日本 2002 2002 澳大利亚 2003 注： 由于 176 不能很好地控制二代欧洲玉米螟和西南玉米螟的为害，美国得克萨斯州、克罗拉多州、俄克拉何马州及堪萨斯州从2000 年 1 月起已不出售此种 米。先正达和 子公司分别于 2001 年 4 月和 2001 年 6 月解除登记，剩余产品的使用截止到 2003 年。 迪卡公司表达 因的 登记于 2001 年 2 月 自动取消。 安万特 (司的转 因注册为中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引 言 3 “星联”（ 米，仅被批准用于动物饲料和乙醇加工， 2000 年因发生了混入普通食用玉米中的事件，它的登记已自动取消。 抗虫兼耐除草剂的转基因玉米。 靶标害虫是玉米切根叶甲，对鳞翅目害虫没有作用。 2 转基因作物对生物多样性的影响 按照世界自然基金会（ 1989 的定义，生物多样性是指生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的 总和。它包括所有植物、动物和微生物，它们所包含的基因以及由它们构成的复杂生态系统和它们形成的生态过程。 农业上，全世界大约种植有 7000 种植物，但只有 30 种给我们提供 90%的热量吸收，最高的三种作物为小麦、水稻和玉米。在这些主要的作物中，有成千上万适应当地气候和农作物生产方式的种类。然而，作物的遗传多样性相对于野生的动植物窄的多，这就显示了多样性对农业有很重要的作用 (2001)。 转基因作物的大规模种植存在着明显的经济效益和社会效益，其高产出和灵活的田间管理及减少常规杀虫剂的使用所带来的安全的生态 环境，使得农民迅速的接受转基因作物。转基因作物的种植对人类的潜在贡献在于：能增加作物产量；保护生物多样性；能更有效地利用外部投入，更好的发展和保护环境；提高经济效益和社会效益，缓解发展中国家的贫困压力。比如说，印度农民种植转 因棉减少了 70%杀虫剂的使用，平均每公顷节约 30 美元的杀虫剂费用，提高产量 80(et 2003)。 与此同时，转基因作物的生态安全性问题已成为人们关注的焦点之一。如转基因抗虫作物由于作用目标单一，且对其靶标害虫的毒杀效果明显，从而使得农田生态系统内其它非 靶标害虫的生存竞争压力减小，结果可能导致非靶标害虫的发生加重，甚至猖獗为害。 转基因作物可能会打破大自然的平衡。 而且外来基因的插入，有可能导致作物生理特性和次生物质的变化，从而有可能影响到生态系统和生物多样性。植物的次生物质在植物 植食性昆虫 天敌的相互作用中发挥着重要作用；形成一个它感化合物网（ 与食物网一样，甚至比食物网更加广泛，将所有群落的各级营养水平或非营养阶层联系了起来。阎凤鸣等（ 2002）研究表明，外来 因的插入，并没有显著影响棉花挥发性次生物质的含量和 组成。对转基因作物进行化学生态学研究是转基因作物安全性和生态学评价的重要方面。在植食性昆虫寻找寄主和产卵行为的几个阶段中，寄主植物的化学信息物质都发挥着重要作用。 到目前为止就转基因作物对生态系统的影响进行了不少的田间试验和半田间性试验，但还没有得出一个确定的结果。一部分报道认为转基因作物对生态系统会产生不利影响，因为转基因作物本身带来的危害和通过基因流对其他物种的影响；一部分认为转基因作物的种植对生态系统有良好的保护作用及促进作用。虽然不乏争议，但转基因作物仍在全球范围内迅速普及。 转基因作物的潜在风险是 ：转基因作物本身可能演化为杂草；基因流与转基因逃逸及其对近缘物种的潜在威胁；对非目标的危害及生物多样性的影响。 基因抗 (耐 )除草剂作物 截止到 2003 年，世界上种植的转基因大豆基本上都是抗除草剂大豆（ 2004）。抗中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引 言 4 除草剂作物的种植，能简化栽培管理程序，更好地控制杂草和保持水土资源，改变了通常应用多种除草剂的局面。从本质上说，抗除草剂基因不会影响作物的产量。但是，抗除草剂作物自身杂草化；抗除草剂基因“漂移”到杂草上导致抗药性杂草产生，在农田生态系统中，作物与其野生近缘种以及杂草同时 存在，抗性基因漂移到可交配的杂草上，从而使杂草也有除草剂抗性，可能产生超级杂草；并且对野生植物群落及非靶标生物产生影响（闫新甫， 2004）。如果管理不当，只依赖除草剂来防治杂草，将会导致除草剂使用量增加，加重环境污染，对其他非靶标生物造成威胁。 et 2003) 在田间调查研究表明转抗除草剂的基因甜菜对地上节肢动物群落没有影响，稳定的多食性节肢动物群落能在抗除草剂甜菜地中发展起来，大量的捕食性天敌如蜘蛛和步甲在转基因田中和普通田中没有差异。 et 2003）观 察到转基因抗除草剂大豆对昆虫群落的影响很小，转基因豆田中节肢动物害虫的丰富度和普通田中的没有差异，对季节性的大豆节肢动物的为害没有不利影响。 et 000)模拟了转基因抗除草剂作物田对杂草种群和以种子为食的鸟类的影响，预测如果田间杂草种群降低至最低水平或者被以合理的的管理方式完全清除掉，将会对鸟类产生严重影响，因为杂草种群的降低意味着食物来源的大量减少 。所以抗除草剂作物对当地的地区影响 依赖于农民是否种植抗除草剂作物和当地的杂草水平的协同作用。 et 2002)等 的实验表明转基因抗除草剂大豆对弹尾虫种类的丰富度短期内没有不利的影响。 基因抗病作物 转基因抗病作物的大规模种植，能够提高植物的抗病性，从而提高产量。但是由于植物病毒能重组，因此可能会产生新的病毒，导致寄主范围扩大，并且病毒的协同作用可能使病毒变得更加严重。 et 2003)研究了转 因的抗腥黑穗病小麦，对 影响，发现在转基因小区和非转基因小区中的昆虫种群没有不同，虽然某些参数如昆虫发育、卵块大小和虫重对食物质量很敏感，但其他参数包括卵的 发育和存活率，没有明显不同。转基因抗病毒梨树，能提高对梨火疫病的抗性，经研究发现，这种转基因梨树对梨黄木虱 (有一定的抗性，这项研究也表明植株的遗传变更能够意想不到的对其非靶标害虫有一定的正面影响 (et 2002 )。 基因抗虫作物 转基因抗虫作物的推广应用，减少了农药的施用，对大田天敌起到了较好的保护和有利于天敌在田间自然繁殖，且能控制侵入植株内部为害的害虫；并在整个生长季节长时间的控制害虫种群，从而保护或增加 产量。一般来说， 米比非 交玉米能增产 32%左右（ et 2000）。而在 Ma et 2004）的实验中发现，当非 米品种被欧洲玉米螟 (害所造成茎秆倒伏或折断适度低的时候， 米在产量方面不会比相应的对照有优势。et 1999）在大田试验中发现由于 米比非 米能控制欧洲玉米螟危害籽粒，从而籽粒上的镰刀穗腐病较轻，串珠镰刀菌毒素的积累也少；从而表明转基因抗虫玉米可以提中国农业科学院硕士学位论文 第一章 引 言 5 高人类和动物消费的安全性系数。然而 ，转基因抗虫作物的引进和大面积种植，将改变原有大田的生态环境和害虫的生存环境，这将对田间的节肢动物产生一定的影响，导致大田的昆虫群落结构和主要害虫、天敌的种群数量发生明显变化。农田生态系统中，作物 害虫 天敌三营养层通过营养流和化学信息流的互作而协同共存。当某一营养层发生变化，就有可能对其他营养层产生影响。在室内研究发现，转基因水稻 的 虫蛋白可以沿水稻 害虫 天敌食物链传递（姜永厚等， 2004）， 中 虫蛋白向靶标害虫（棉铃虫）、非靶标害虫（棉蚜） 以及天敌（龟纹瓢虫）的传递（张桂芬等， 2004）。 关于转基因抗虫作物是否会带来非靶标害虫数量上升和天敌昆虫数量的下降已引起了广泛的争论。虽然有一部分研究者利用自己的试验数据说明转基因作物不会产生类似的生态风险问题，但反对者们总以试验范围小、年份不连续等原因对这些实验结果提出质疑。 虫基因的类型 目前常用的抗虫基因有两大类：一类是从细菌中分离出的杀虫蛋白基因，如 虫蛋白基因；另一类是从植物中分离出来的抗虫基因，如豇豆胰蛋白酶抑制剂基因，马铃薯蛋白酶抑制剂 基因，淀粉酶抑制剂基因，外源凝集 素基因等。此外，还有来自昆虫的昆虫毒素基因，如蝎毒素和蜘蛛毒素基因。其中 白基因应用推广。 苏云金芽孢杆菌（ 一种革兰氏阳性土壤芽孢杆菌，该菌在芽孢形成过程中产生大量的伴孢晶体（ 内毒素），这些伴孢晶体，形状各异，主要有菱形、方形、长方形、椭圆形、镶嵌形和不规则形等。它们可形成一类对昆虫具有毒杀作用的小分子蛋白质或多肽，分子量一般在 27 140间，由 18 种 一些矿质元素组成，这些蛋白质或多肽专门破坏鳞翅目害虫的消化系统，导致昆虫死亡。苏云金芽 孢杆菌伴孢晶体蛋白由该菌质粒上的基因编码。其基因编码的不同，导致合成的伴孢晶体蛋白的结构、分子量、杀虫谱存在差异。依据编码基因序列的同源性和杀虫活性的不同，可以将这些伴孢晶体蛋白划分为 和，族下有可分类，目前 7 类。 分为 共 6 类，此 6 类的目标害虫分别为：对鳞翅目昆虫有抗性； 对鳞翅目和双翅目的昆虫有抗性， 对鞘翅目的昆虫有抗性， 对双翅目的 蚊类有抗性， 和 线虫有抗性。 报道了 基因也具有特异对鞘翅目和鳞翅目昆虫杀虫活 性； 由 A 和 B